Wyposażenie elektryczne i automatyzacja instalacji elektrolizy

Wszystkie elektrody w kąpielach elektrolizy są zwykle połączone równolegle, tak że prąd elektrolizera składa się z sumy prądów poszczególnych par elektrod: przeciwnie, napięcie w kąpieli jest równe napięciu w parach elektrod . Wanny do elektrolizy z kolei łączy się szeregowo, dzięki czemu całkowite napięcie instalacji dochodzi do setek woltów. Wyjątkiem są instalacje rozkładu wody wykonane na zasadzie prasy filtracyjnej, gdzie wszystkie elektrody są połączone szeregowo.

Ze względu na to, że prądy w elektrolizerach i rozmiary elektrowni są duże, obecny układ ołowiany jest dość rozgałęziony, z dużą liczbą styków.

na ryc. 1 przedstawia schemat szyn zbiorczych dla aluminiowej kąpieli elektrolizy. Jak widać jest to bardzo złożone, zapewnienie dwukierunkowego zasilania poprzez wydajne pakiety magistrali oraz zastosowanie elastycznych kompensatorów rozszerzalności cieplnej.Ponadto, w przypadku konieczności odłączenia kąpieli podczas naprawy, przewidziano zworki, które łączą pakiety katodowe dwóch sąsiednich kąpieli, usuwając w ten sposób jedną z nich.

Ryż. 1. Szyna zbiorcza do aluminiowej kąpieli elektrolizy z jedną anodą ciągłą i zasilaniem bocznym: 1 — pion anodowy, 2 — szyna anodowa, 3 — szyna kompensacyjna, 4 — szyny anodowe giętkie, 5 — styk szynowy sworzniowy, 6 — pręt szynowy katodowy, 7 — elastyczna szyna katodowa, 8 — pakietowa szyna katodowa.

Jako materiał na szyny stosuje się aluminium i miedź, rzadziej żelazo. Gęstość prądu ekonomicznego przy elektroliza wynosi 0,3 — 0,4 dla szyn aluminiowych, 1,0 — 1,3 dla szyn miedzianych, 0,15 — 0,2 A / mm2 dla szyn stalowych i żeliwnych.

Przekrój opon jest sprawdzany pod kątem utraty napięcia (nie więcej niż 3%), ogrzewania (maksymalna temperatura 70 ° C przy temperaturze otoczenia 25 ° C) i wytrzymałości mechanicznej. Stałe połączenia stykowe są wykonywane przez wciskanie (opony są ściskane między dwiema stalowymi płytami, dokręcane śrubami) lub spawane. Styki wtyczki są przykręcone. Zaciski klinowe lub mimośrodowe są bardziej niezawodne i wygodne.

Ze względu na większą moc elektrolizery są zwykle zasilane z sieci wysokiego napięcia, a specjalne transformatory obniżające napięcie służą do dopasowania napięcia zasilania do napięcia elektrowni poprzez zasilanie przetwornic do konwersji trójfazowego prądu przemiennego na prąd stały .

Prostowniki półprzewodnikowe z płynną regulacją napięcia są stosowane do zasilania elektrolizerów o dużej mocy, ponieważ ich sprawność jest wysoka (98 — 99%), są bardziej niezawodne i trwałe, łatwe w utrzymaniu, stale gotowe do pracy, ciche i nie wydzielają żadnych substancji toksycznych.

Przy tworzeniu potężnych instalacji elektrolizy konieczne jest włączenie zaworów półprzewodnikowych równolegle, a czasem szeregowo, co powoduje trudności z powodu pewnego rozproszenia ich charakterystyk. W celu wyrównania rozkładu prądu między zaworami w połączeniu równoległym i napięcia w połączeniu szeregowym stosuje się specjalne rozwiązania obwodów.

Ponieważ zawory półprzewodnikowe nie są w stanie wytrzymać znacznych przeciążeń prądowych i napięciowych, stosuje się specjalne zabezpieczenia, które w przypadku awarii zwierają zawory i wyłączają je w przypadku wystąpienia niebezpiecznego wzrostu napięcia lub prądu roboczego.

Regulacja napięcia wyprostowanego w instalacjach z diodami półprzewodnikowymi jest możliwa tylko po stronie AC. W tym celu stosuje się przełączanie stopni napięciowych głównego transformatora obniżającego napięcie lub specjalnego transformatora sterującego ze zdalnym przełącznikiem krokowym. W każdym ramieniu mostka prostowniczego znajduje się dławik nasycenia, który zapewnia płynną regulację napięcia.

Układ zaworów jest zwykle wykonywany w szafach produkowanych na prądy 13 000 i 25 000 A oraz na napięcie wyprostowane 300 — 465 V. Szafki uzupełniają podstacje przekształtnikowe zasilające elektrolizery. Chłodzenie szaf prostownikowych może być powietrzem lub wodą.

Automatyczne dopasowanie jednostek przetwornicy można wykonać na trzy sposoby: dla stałego napięcia, dla stałej mocy, dla stałego prądu.

Regulacja napięcia DC zapewnia również stały prąd dla procesów, w których nie występują efekty anodowe. Dla instalacji do elektrolizy aluminium taki układ nie jest zadowalający, ponieważ wraz z pojawieniem się efektów anodowych prąd w szeregu kąpieli maleje, a wydajność kąpieli maleje, zwłaszcza przy równoczesnych efektach anodowych w kilku kąpielach. W takim przypadku nie tylko wydajność serii kąpieli może spaść o 20 — 30%, ale także zaburzony jest termiczny tryb pracy kąpieli elektrolizy.

W stałej regulacji mocy ta ostatnia jest utrzymywana przez stały regulator; w powyższym przypadku prąd szeregowy spada, ale mniej niż w poprzednim przypadku, ponieważ regulator zwiększa napięcie. Przy takiej regulacji nie dochodzi do zmian w zużyciu energii, co jest pożądane dla systemu elektroenergetycznego, ale wymaga marginesu napięcia w podstacji przetwórczej.

Regulacja DC jest najlepsza pod względem spełnienia wymagań procesowych. Jednak przy takiej regulacji w przypadku spadku napięcia w sieci zasilającej lub pojawienia się efektu anodowego regulator zwiększa napięcie zasilania i wzrasta zużycie energii. Dlatego ten układ sterowania wymaga zarówno rezerw napięciowych, jak i mocy w podstacji przekształtnikowej (zwykle w granicach 7-10%).

W ostatnim czasie rozpoczęto prace nad wykorzystaniem parametrycznych źródeł prądowych do zasilania elektrolizerów, w których występuje efekt anodowy, który automatycznie stabilizuje prąd przemienny niezależnie od zmian jego rezystancji.

Zazwyczaj wanny do elektrolizy montuje się wzdłuż osi bryły budynku w dwóch lub czterech rzędach, a podstację energetyczną łączy się z bryłą wanny za pomocą torów zbiorczych w torach zbiorczych lub rampami. Wewnątrz obudowy szyny zbiorcze umieszczone są w kanałach szynowych po obu stronach ogniw.

Schemat ruchu jonów podczas elektrolizy miedzi Elektrolit - roztwór siarczanu miedzi wlewa się do naczynia i zanurza w nim dwie miedziane płytki (elektrody). W artykułach omówiono procesy zachodzące podczas elektrolizy Co to jest elektroliza I Elektroliza - przykłady obliczeń.